Considerazioni di produzione per la realizzazione di prototipi in plastica
Individua il percorso migliore nel processo di prototipazione, imparando a conoscere i vantaggi e i limiti di ciascuna linea di servizio
L'espressione "tornare al tavolo da disegno" non è solo un cliché. Pianificare ed eseguire più iterazioni di ogni prodotto è il modo più efficace per ridurre i costi complessivi del progetto. Ed è anche il caso per progetti riguardando parti in plastica. Inoltre, contribuisce ad evitare i rischi a lungo termine e ad ottimizzare il design del pezzo. A prescindere dall'abilità dell'ingegnere e dalla potenza del software di progettazione utilizzato, questo significa prototipare.
Ad esempio, le aziende che producono dispositivi medici devono valutare l'ergonomia e la funzionalità di uno strumento chirurgico prima di proporlo ai medici. I progettisti di droni commerciali possono effettuare decine di voli di prova nelle gallerie del vento per verificare l'aeronavigabilità del loro mezzo, i costruttori di robot si preoccupano di verificare l'efficienza con cui il loro ultimo progetto di droide svolge i compiti che gli sono stati assegnati e le case automobilistiche intelligenti eseguono numerosi controlli di forma, adattamento e funzionalità su innumerevoli componenti per ogni nuovo modello. Ognuna di queste attività richiede un prototipo (o probabilmente più prototipi).
Questo è particolarmente vero per i componenti in plastica, dove è auspicabile che la domanda per il progetto vincente schizzi alle stelle richiedendo un successivo investimento in attrezzature per la produzione di grandi volumi, come gli stampi per l'iniezione di materie plastiche. Quale modo migliore per evitare un costoso errore di progettazione se non quello di prototipare fino ad arrivare ad un design ottimale? Da un’altra parte, per le loro nuove creazioni in metallo, i produttori di tutti i settori cominciano spesso per fabbricare delle prime versioni in plastica: stampante in 3D, con la lavorazione CNC o stampate ad iniezione. Anche in questo caso, si tratta di raggiungere il traguardo nel modo più efficace.
Durante il processo di sviluppo del prodotto, i prototipi in plastica hanno diversi casi di utilizzo:
- Modello concettuale: si tratta probabilmente di uno dei primi pezzi fabbricati all'inizio del processo. Lo scopo è quello di fornire una rappresentazione visiva del pezzo o del prodotto. In questa fase, aspetti come la robustezza del materiale e la qualità della finitura superficiale contano meno. Le tecnologie di stampa 3D, come la stereolitografia e la modellazione a deposizione fusa, sono metodi di produzione tipici per i modelli concettuali.
- Prototipo funzionale: Un prototipo funzionale offre al team di progettazione la possibilità di testare la forma e l'adattamento di un pezzo. In questa fase, disporre di una rappresentazione accurata delle proprietà dei materiali del pezzo finale può essere particolarmente utile, per cui si ricorre spesso a tecnologie come la lavorazione CNC o la stampa 3D, come la sinterizzazione laser selettiva o la Multi Jet Fusion.
Quali sono le opzioni di produzione per la prototipazione in plastica?
Per fortuna esistono diverse opzioni per la prototipazione di parti in plastica, Ognuna comporta dei vantaggi (e dei limiti) distinti che permettano di determinare quale sia la migliore per l’applicazione che ti serve.
- Stampa 3D: Quello è probabilmente il metodo il più conveniente per la prototipazione in plastica. Inoltre, garantisce tempi di lavorazione rapidi e vincoli di progettazione più ridotti.
- Lavorazione CNC: con questo processo, le parti possono essere prodotte con la stessa velocità della stampa 3D, inoltre, la lavorazione CNC offre anche le stesse opzioni di materiali che verranno probabilmente utilizzate in fase di produzione finale della parte. Lo svantaggio della lavorazione CNC rispetto alla stampa 3D è una minore libertà di progettazione e, qualche volta, un costo più elevato.
Nella scelta di un servizio di prototipazione occorre considerare anche le dimensioni del pezzo, la qualità delle finiture superficiali e i requisiti in termini di dimensione/risoluzione dei particolari.
Qualunque sia la tecnologia di produzione scelta per un prototipo in plastica, è fondamentale assicurarsi che la parte sia fabbricabile con il processo di produzione previsto. In altre parole, non mettetevi con le spalle al muro stampando prototipi in 3D, per poi scoprire, quando le quantità aumentano, che i pezzi non possono essere stampati a iniezione.
Grazie ad una serie di considerazioni chiave, è possibile determinare il percorso di produzione migliore per il tuo processo di prototipazione.
Stampa 3D per la prototipazione in plastica
Iniziamo con una breve panoramica della tecnologia che ha letteralmente lanciato il settore della prototipazione rapida più di tre decenni fa: la stampa 3D. A questa epoca, l’unica opzione era la stereolitografia (SLA). Oggi, invece, i produttori possono scegliere fra un'ampia gamma di tecnologie, tra cui la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e i processi acome PolyJet e Multi Jet Fusion (MJF).
Abbiamo pubblicato numerosi suggerimenti di progettazione a proposito di queste tecnologie, quindi è possibile consultarli per trovare delle informazioni sui dettagli tecnici relativi alla precisione, alla selezione delle materie prime e alle offerte per le finiture superficiali. Basta dire che tutte sono eccellenti per la realizzazione di prototipi; molte sono anche abbastanza veloci e i materiali di partenza sufficientemente robusti per supportare la produzione di parti in piccoli lotti, destinate all'uso finale. Ecco altri vantaggi e criticità della stampa 3D.
I vantaggi della stampa 3D
- Maggiore convenienza: dal momento che la stampa 3D non richiede attrezzature né utensili di taglio, il costo dei pezzi è generalmente inferiore rispetto alle alternative. Il costo è solo quello derivante dalla materia prima, dal tempo di lavorazione della stampante e da eventuali trattamenti secondari (ne parleremo più avanti).
- Tempi di consegna ridotti e iterazioni rapide: Allo stesso modo, l'eliminazione di utensili e di configurazioni tradizionali, richiesti invece nel caso dello stampaggio a iniezione, si traduce in un'accelerazione dei tempi di produzione. Inoltre, molte stampanti consentono volumi di produzione tali da permettere ai progettisti di effettuare più iterazioni nello stesso processo.
- Meno vincoli di progettazione: nella community della stampa 3D si parla spesso di "libertà di progettazione illimitata". Si tratta di una leggera esagerazione, ma resta il fatto che molti produttori l'hanno utilizzata per realizzare assiemi complessi in un'unica stampa, riducendo il numero di pezzi e semplificando la catena di approvvigionamento. Come accennato in precedenza, se l'obiettivo finale è la produzione di grandi quantità tramite stampaggio a iniezione, è fondamentale assicurarsi la fattibilità del progetto.
Criticità della stampa 3D
- Proprietà meccaniche: le resine e le polveri utilizzate dalle stampanti 3D sono materiali "simili a". Questo significa che si avvicinano (arrivando in alcuni casi a superarli) ai loro omologhi stampati a iniezione o lavorati meccanicamente e, anche se in molti casi sono idonei per l'uso finale, non sono sostituti diretti.
- Finitura di superficie: per via della costruzione mediante stratificazione, praticamente tutte le parti stampate in 3D presentano degli "scalini" più o meno evidenti. La rimozione di queste imperfezioni mediante vapour polishing o abrasione è un'opzione popolare, ma accresce i tempi e i costi del progetto.
- Opzioni di colore limitate: di norma, la stampa 3D produce parti bianche, nere, grigie o traslucide. La verniciatura o la colorazione dopo la finitura è un processo abbastanza comune, tuttavia rappresenta comunque un ulteriore passaggio di post-lavorazione.
Lavorazione CNC per la prototipazione in plastica
Dato che la rapidità è da sempre una prerogativa di Protolabs, abbiamo sviluppato set di attrezzature standardizzate che ci permettono di consegnare pezzi lavorati su misura in un giorno o due. I tempi di consegna sono simili a quelli della stampa 3D e il prezzo non è significativamente più alto (a seconda della geometria del pezzo, della quantità e di altri fattori). Detto questo, esistono alcune differenze tra le parti da lavorazione CNC e quelle stampate in 3D:
I vantaggi della lavorazione CNC
- Materiali di uso finale: a volte è importante fabbricare i prototipi utilizzando i materiali di produzione finale. In questo modo è possibile sottoporli a test funzionali e di convalida o permettere al cliente di vedere e toccare con mano un prototipo che si avvicina moltissimo al prodotto finale.
- Produzione in grandi volumi: generalmente la convenienza della stampa 3D è inversamente proporzionale al volume di produzione. Anche se l'avvento delle nuove tecnologie sta modificando questa tendenza pluridecennale, la lavorazione CNC è quasi sempre vincente in termini di velocità di produzione per quantitativi a partire da decine di unità, che permettono di ammortizzare più facilmente i costi di setup.
- Tempi di consegna ridotti e iterazioni rapide: La lavorazione CNC è veloce quanto la stampa 3D e, in alcuni casi, anche di più. Le parti possono essere consegnate nell'arco di un giorno lavorativo.
Criticità della lavorazione CNC
- Geometria dei pezzi: come accennato in precedenza, quando la geometria è complessa, la stampa 3D regna sovrana. Le officine meccaniche hanno difficoltà a gestire cavità profonde che non possono essere raggiunte dagli utensili di taglio, pareti sottili che possono generare vibrazioni, rapporti estremi tra lunghezza e diametro nella realizzazione di fori e altre caratteristiche del pezzo che per una stampante 3D non rappresentano un problema.
- Assemblaggi in più parti: le parti lavorate vengono spesso assemblate e l'unione dei componenti comporta generalmente l'imbullonatura o la saldatura, con un conseguente incremento dei costi. Se quello che normalmente sarebbe un assemblato può essere stampato in 3D come un singolo pezzo, l'intero progetto ne trarrà un grande vantaggio. Ma anche in questo caso, accertatevi di essere in grado di produrre in modo conveniente la vostra parte in 3D man mano che le quantità aumentano.
Lo stampaggio a iniezione rapido , la lavorazione CNC e la stampa 3D offrono tutti vantaggi unici nella fase di prototipazione.
Stampaggio a iniezione per la prototipazione in plastica
I termini "stampo a iniezione di materie plastiche" e "prototipazione" sono sempre stati considerati come "stranieri" uno rispetto all'altro. Questo perché gli ustensili per la produzione di grandi volumi necessari per fabbricare la maggior parte dei pezzi in plastica sono costosi e richiedono mesi per essere sviluppati. Da Protolabs abbiamo cambiato questo paradigma con ustensili rapidi da produrre in alluminio, in grado di stampare centinaia di prototipi da consegnare in genere entro una settimana o poco più.
Non è necessario un lungo elenco di pro e contro, poiché questo modello decisionale ha solo una o due ramificazioni. Se ti servono un centinaio di prototipi stampati a iniezione o di più per fare dei test funzionali, gli ustensili di produzione rapida consentono al cliente di avere pezzi fabbricati nel materiale effettivo, in tempi molto rapidi e con tolleranze e finiture superficiali quasi identiche a quelle ottenute con gli attrezzaggi di produzione. Gli stampi rapidi possono anche servire da stampi pilota fino al completamento dello stampo di produzione o per effettuare prove di collaudo del progetto del pezzo stampato.
In ogni caso è una soluzione più veloce e molto meno costosa degli attrezzaggi pesanti appena descritti, che tuttavia potrebbe rivelarsi particolarmente costosa in situazioni in cui la stampa 3D o la lavorazione CNC debbano risolvere il problema immediatamente. Come detto in precedenza, le riflessioni da fare sono molte, quindi chiamaci o carica il progetto del tuo pezzo sulla nostra piattaforma di preventivazione digitale per valutare le opzioni e ricevere un feedback automatico di analisi di fattibilità (DFM).
Buona prototipazione in plastica!
